熔融沉積3D打印成型缺陷研究與對策

傅潔瓊

摘要：熔融沉積（FDM） 3D打印是目前應(yīng)用范圍較廣的一種成型技術(shù)。但是制約這一成型技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸在于打印精度、成型材料和產(chǎn)品成本。FDM在成型過程中會出現(xiàn)一系列的影響其外觀和尺寸精度的問題，諸如成型件拉絲、出現(xiàn)孔洞或者縫隙、填充不牢固、層錯位等。本文針對打印產(chǎn)品存在外觀和尺寸精度的問題，找出相關(guān)的原因，并提出切實可行的對策。

關(guān)鍵詞：FDM成型；打印精度；打印溫度

中圖分類號：TH362 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-6487 （2018） 01-0024-02

0 引言

絲狀材料選擇性熔覆（簡稱FDM）主要是通過供絲機構(gòu)送進噴頭，在噴頭中加熱到熔融態(tài)，熔融態(tài)的絲狀材料被擠壓出來，按照計算機給出的截面輪廓信息，隨加熱噴頭的運動后逐層堆疊固化來構(gòu)成三維產(chǎn)品的。此種方法在打印成型過程中會出現(xiàn)不同的成型缺陷，下面針對不同的缺陷提出相應(yīng)的對策。

1 產(chǎn)品拉絲或垂料

當(dāng)打印件上殘留細小的塑料絲線，則發(fā)生了拉絲。通常，這是因為當(dāng)噴嘴移到新的位置時，塑料從噴嘴中垂出來了。解決拉絲問題，最常用的方法是“回抽”。如果回抽是開啟的，那么當(dāng)擠出機完成模型一個區(qū)域的打印后，噴嘴中的線材會被回拉，這樣再次打印時，塑料會被重新推入噴嘴，從噴嘴頂部擠出。解決拉絲的主要對策有回抽距離、回抽速度、溫度和懸空移動距離的設(shè)置[1]。

1.1 回抽距離

回抽最重要的設(shè)置，是回抽距離。它決定了多少塑料會從噴嘴拉回。一般來說，從噴嘴中拉回的塑料越多，噴嘴移動時，越不容易垂料。大多數(shù)直接驅(qū)動的擠出機，只需要0.5～2.Omm的回抽距離，然后一些波頓（Bowden）擠出機，可能需要高達15mm的回抽距離，因為擠出機驅(qū)動齒輪和熱噴嘴之間的距離更大。如果打印件出現(xiàn)拉絲問題，可以增加回抽距離，每次增加lmm，觀察改善情況。

1.2回抽速度

下一個回抽相關(guān)的設(shè)置，是回抽速度。它決定了線材從噴嘴抽離的快慢。如果回抽太慢，塑料將會從噴嘴中垂出來，進而在移動到新的位置之前，就開始泄漏了。如果回抽太快，線材可能與噴嘴中的塑料斷開，甚至驅(qū)動齒輪的快速轉(zhuǎn)動，可能刨掉線材表面部分。當(dāng)回抽速度介于1200～6000 mm/min（20～100 mm/s），回抽效果會比較好.一般的軟件有默認配置數(shù)值，這個數(shù)值可以作為參考基礎(chǔ)，來確定最佳的回抽速度，讓打印的效果最好。但是，最理想的數(shù)值，需根據(jù)實際使用的材料做多次試驗，來確定合適的速度。

1.3溫度太高

如果回抽距離和回抽速度設(shè)置都合理的話，導(dǎo)致拉絲問題的因素可能是擠出機溫度。如果溫度太高，噴嘴中的塑料會變成非常粘稠，進而更容易從噴嘴中流出來。如果溫度太低，塑料會保持較硬狀態(tài)，而難以從噴嘴中擠出來。如果確認回抽設(shè)置是正確的，但是打印仍然出現(xiàn)拉絲問題，可以嘗試降低擠出機溫度，降低5～10℃。對打印質(zhì)量有顯著改善效果。

1.4懸空移動距離太長

拉絲發(fā)生在擠出機在兩個不同位置間移動過程中，是塑料從噴嘴中垂下來的一種現(xiàn)象。短程移動足夠快，塑料沒有時間從噴嘴中重落下來；而大距離的移動出現(xiàn)拉絲機率更大。因此需要開啟自動調(diào)整移動路徑的智能設(shè)置，來保證噴嘴懸空移動的距離最短。有了特性的設(shè)置，噴頭都可以找到合適的路徑，以此避免懸空移動很遠，這樣減少了拉絲的可能性。

2 層開裂或斷開

3D打印件結(jié)實可靠，需要確保每層充分地與它下面的層粘合。如果層與層之間不能很好地粘合，最后打印件可能開裂或斷開。對于此現(xiàn)象的產(chǎn)生典型原因是打印設(shè)置的層過高或者是打印溫度過低。

2.1層高太高

多數(shù)3D打印機噴嘴直徑都在0.3～0.5 mm之間。塑料從這個很小的孔中擠出，形成非常細的擠絲，進而構(gòu)建細節(jié)豐富的打印件。然而，這些小噴嘴也會導(dǎo)致層高的限制。當(dāng)在一層上打印另一層塑料，需要確保新的層被擠壓到下面那層上，從而使兩層可以粘合在一起。一般來說，需要確保選擇的層高比噴嘴直徑小20%。例如，如果噴嘴直徑是0.4mm，那使用的層高不能超過0.32mm，否則每層上的塑料將無法正確地與它下面的層粘合。所以，如果發(fā)現(xiàn)打印件開裂，層與層之間沒能粘合在一起，首先需要檢查層高與噴嘴直徑是否匹配?？梢栽囍鴾p少層高看是否能讓層粘合得更好。

2.2打印溫度太低

如果發(fā)現(xiàn)層與層之間不能很好粘合，并且確定層高設(shè)置合理，那么可能是線材需要以更高的溫度來打印，以便更好地粘合。例如溫度在190℃，打印ABS塑料，層與層之間很容易分開。這是因為ABS塑料一般需要在220～235℃時打印，以便層之間有力地粘合。所以對于不同的絲材，必須要使用正確的打印溫度。對于過冷的打印溫度可以嘗試增加溫度，每次增加10℃，來看看粘合是否有所改善。

3 細節(jié)打印不出來

打印機都有一個固定尺寸的噴嘴，可以精確地打印出非常細微的細節(jié)。一般打印機，裝有0.4mm直徑開孔的噴嘴，在打印許多產(chǎn)品時，它的精度是夠用的，但是在打印極為細小，以至于比噴嘴直徑還小的細節(jié)時，就會遇到打印細節(jié)不完整的問題。這是因為用0.4mm的噴嘴，打印0.2mm的薄壁時，無法從0.4mm的擠出機中精確地產(chǎn)生0.2mm的擠出絲，擠出絲寬度總是比噴嘴直徑大或者相等。在軟件中打開“打印預(yù)覽”時，會發(fā)現(xiàn)軟件刪除了細微的特征。軟件以這種方式告知無法使用打印機上安裝的噴嘴，打印這種太細微特征。如果一定要打印出細微的細節(jié)，有下面幾種策略可以參考。

3.1 重新設(shè)計有薄壁的模型

最直接的方法是重新設(shè)計模型，使其只包含比噴嘴直徑大的特征，通常這涉及到編輯CAD文件中的3D模型，以修改細微特征的尺寸。當(dāng)你增加細微特征的厚度之后，可以重新導(dǎo)入模型到軟件中，來檢查預(yù)覽打印機是否能打印創(chuàng)建的3D形狀。

3.2安裝開孔直徑更小的噴嘴

多數(shù)時候，沒有辦法或者不能變更編輯原始3D模型。此時，可以考慮給打印機配第二個噴嘴，以便打印細微特征。多數(shù)打印機，噴嘴都是可以拆卸的，這樣方便用戶根據(jù)產(chǎn)品的打印細節(jié)需求更換相應(yīng)的噴嘴。

4 擠出不穩(wěn)定

打印高精度的打印件，需要擠出機能穩(wěn)定擠出塑料。在打印件的不同部分，擠出絲有變化，這將影響最終的打印質(zhì)量。通過仔細地觀察打印過程，可以識別出擠出不穩(wěn)定的問題。例如：如果打印機打印一個長20mm的直線，如果發(fā)現(xiàn)擠出絲凹凸不平，或者尺寸好像有波動，那你可能遇到了擠出不穩(wěn)定問題。

4.1 線材被卡住或纏繞在一起

首先檢查打印機的供料耗材卷，確保耗材卷是可以順暢轉(zhuǎn)動的，塑料線材能輕松地從卷上拉出來。如果線材是混亂的，或者耗材卷自由轉(zhuǎn)動的阻力太大，這將影響順暢地從噴嘴中擠出。如果你的打印機上安裝了波頓（Bowden）管，需要檢查線材是否能順暢地穿過管子，如果管中的阻力太大，需要試著清理一個管子，或在管中加一些潤滑。

4.2堵頭

如果線材沒有被卡住，能很輕松地推進擠出機，那么有可能有一些細小的碎片，或外來物進入噴嘴，阻止了正常的擠出。測試這一可能性的簡單方法是，使用設(shè)備控制面板從噴嘴中手工擠出一些塑料，觀察確保塑料擠出是連續(xù)和穩(wěn)定的。如果發(fā)現(xiàn)問題，需要聯(lián)系打印機提供商來獲得清時噴嘴內(nèi)部的正確方法清。

4.3層高太小

如果線材轉(zhuǎn)動順暢，擠出機沒有堵，檢查一下軟件中的一些設(shè)置。例如是否打印非常小的層高，如0.01mm，這時將只有很小的空間供塑料擠出噴嘴。噴嘴下方只有0.1mm的間隙，這意味著塑料可能很難擠出。如果使用了非常小的層高在打印，試試增加層高，看問題是否解決了。

4.4錯誤的擠出絲寬度

需要檢查的另一個設(shè)置是擠出機的擠出絲寬度。每個擠出機都有自己單獨的擠出絲寬度，所以確保從列表上選擇相應(yīng)的擠出機，來查看設(shè)置。如果擠出絲寬度確實小于噴嘴直徑，可能導(dǎo)致問題。一般來說，擠出絲寬度需要是噴嘴直徑的100%—150%。如果擠出絲寬度遠比噴嘴直徑小，擠出機將無法穩(wěn)定地擠出耗材。

4.5耗材質(zhì)量太差

另一個與擠出不穩(wěn)定相關(guān)因素是所使用的線材的質(zhì)量。質(zhì)量差的線材，可能包含其它添加劑，影響擠出的穩(wěn)定性，也可能是線材的直徑不穩(wěn)定導(dǎo)致擠出不穩(wěn)定。另外很多塑料時間一長都有降解的趨勢。如PLA傾向空氣中的水分，這將導(dǎo)致打印質(zhì)量下降。如果耗材有問題，試著更換一卷新的、沒有拆包的、高質(zhì)量的耗材，看問題是否可以解決。

4.6擠出機機械故障

如果排除了以上所有情況，但仍然有擠出不穩(wěn)定的問題，那么可能需要檢查擠出機是否有機械故障。例如很多擠出機使用帶有尖利齒的驅(qū)動齒輪，齒輪咬入線材，使擠出機前后抽拉線材更容易。這種擠出機通常可以調(diào)節(jié)齒輪對線材的壓力。如果設(shè)置得太松，驅(qū)動齒輪將無法足夠深地咬入線材，會影響擠出機精確控制線材位置的能力。那么可以咨詢打印機提供商確認打印機是否也有類似調(diào)節(jié)機制。

5 結(jié)論

以上總結(jié)了幾個常見打印缺陷的原因及對策，在打印過程中，對于遇到具體的問題，需要仔細觀察和分析找到相應(yīng)的原因，以便采取正確的對策。

參考文獻

[1] 韓霞，楊恩源，快速成型技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[2] 劉洋子健，夏春蕾，張均，等.熔融沉積成型3D打印技術(shù)應(yīng)用進展及展望[J].工程塑料應(yīng)用，2017 （3）：130-133.